石墨烯和玻璃纤维混合聚丙烯复合材料的导热系数

关键词：保护热流计法，导热系数，石墨烯，玻璃纤维，聚丙烯基复合材料

摘要

英国的曼彻斯特大学石墨烯研究所，采用熔混工艺添加石墨烯纳米片GNPs和玻璃纤维GF制备聚丙烯基复合材料，同时对比研究了分别独立添加GF和GNPs的复合材料。采用SEM观察了基体和填充材料的界面及纤维方向，并采用保护热流计法Fox50仪器测量了复合材料的导热系数，结果显示混合添加的复合材料导热系数明显高于独立添加GNPs的复合材料。

引言 

使用无机填料增强高分子材料的复合材料已成为近年来多功能材料的通用方式。玻璃纤维GF由于较高拉伸强度和低成本而广泛用于增强填料。玻璃纤维增强高分子复合材料GFRP已成为汽车、航空和建筑工业的商用材料，但是在某些应用，导热性能太差。

高导热的石墨烯单层或多层材料已被用于高分子材料的增强相，但是单层或多层石墨烯的大规模量产依然价格昂贵。工业上更多使用石墨烯纳米片作为增强填充材料，其结构上含有石墨烯层的短堆积，具有与石墨烯相似的热学和电学性能，但是成本更低。

Z近采用混合填料制备复合材料的研究开始涌现，大部分的报导旨在强调所有填料的协同效应，以提高复合材料的Z终物理化学性能。这种方法也可以被用于平衡特定填料带来的不可避免的缺点，本文^【1】采用融混工艺，混合GNPs和GFs填料，制备了不同含量的聚丙烯基复合材料。采用稳态法中的保护热流计法测试了不同含量的复合材料的导热系数，研究结果显示混合添加的复合材料导热系数明显高于独立添加GNPs的复合材料。

样品

购买商用聚丙烯复合材料，混有20 wt%玻璃纤维GF（平均长度5mm，平均直径15 um）。石墨烯纳米片平均直径25 um，平均厚度6～8nm(约20层石墨烯)。融混工艺在190度进行12分钟。添加的GNP含量分别为5，10，20 wt%。GF的含量则成比例降低。样品分别标记为 PP-GF19-GNP5，PP-GF18-GNP10，PP-GF16-GNP20。

导热系数测试设备

聚丙烯基复合材料的导热系数采用稳态法中的保护热流计法仪器测量，Fox 50，Lasercomp，TA仪器。样品尺寸为直径50 mm，厚度1～20 mm， 遵循标准ASTM E 1530.

稳态法是直接测量方法，无须测量密度和比热，直接得到导热系数；样品更大，对于复合材料而言，更具代表性。适合高分子基复合材料的导热系数准确测量^【2】。

结果和讨论

图1 样品断面的SEM照片：a）PP-GNP20；b）PP-GF复合材料中的纤维；

c）PP-GF16-GNP20样品中的PP和GNPs包覆的GFs 

图2 PP-GF-GNP复合材料的导热系数.绿色曲线的填料含量指两组分的总含量

GNP的大比表面和长径比使GNP和基体具有较好的界面，并形成桥接导热链，这是复合材料导热系数增大的主要原因。填充GNP的PP复合材料导热系数是基体的4倍，而填充Zda含量GFs的复合材料仅提高70%。而混合填料复合材料则具有略高的导热系数。从图1 的SEM照片可见，玻璃纤维的互连，以及表面的PP和GNP包覆，使得导热互连网络得以加强。Zda含量的混合填料复合材料PP-GF16-GNP20的导热系数是纯PP基体材料的5倍。

参考文献：

1. Dimitrios G. Papageorgiou, etc.  Hybrid multifunctional graphene/glass-fibre polypropylene composites Composites Science and Technology 137(2016) 44-51

2. Hongyu Chen, etc. Thermal conductivity of polymer-based composites: Fundamentals and applications Progress in Polymer Science 59 (2016) 41–85.